Stygnące promieniowanie reliktowe

Pytanie

Pyta Marcin

Fotony promieniowania reliktowego stygną, ponieważ przez rozszerzanie przestrzeni zwiększa się ich długość fali. Czy w takim razie będą one stygły w nieskończoność, czy osiągną maksymalną długość fali (czy ona istnieje dla fotonu?) I tym samym temperaturę zera bezwzględnego? Czy wiemy co stanie się z nimi w tym momencie?

Odpowiedź

Odpowiada Mikołaj Misiak

W obserwowanym Wszechświecie promieniowanie reliktowe ma temperaturę poniżej 3 kelwinów, a dodatnia gęstość energii próżni sprawia, że Wszechświat rozszerza się coraz szybciej. Wyobraźmy sobie dla uproszczenia, że innej materii nie ma, tj. istnieją tylko fotony i energia próżni. Wtedy istotnie fotony będą stygły w nieskończoność, gdyż nie istnieje dla nich żadna maksymalna długość fali. Ich temperatura będzie coraz bliższa (dowolnie bliska) temperatury zera bezwzględnego, ale nigdy nie osiągnie dokładnie zera. Proces ten będzie trwał w nieskończoność.

W realnym Wszechświecie istnieją gwiazdy, a także gaz międzygwiezdny, z którego nowe gwiazdy mogą powstawać. Po odpowiednio długim czasie (wielu dziesiątkach miliardów lat) istniejące gwiazdy zużyją swoje paliwo jądrowe, a proces powstawania nowych ustanie. Wtedy wszystkie obiekty we Wszechświecie będą dążyły do uzyskania równowagi termodynamicznej z promieniowaniem, a to ostatnie będzie stygło ze względu na rozszerzanie się przestrzeni. Najtrwalszymi źródłami promieniowania pozostaną czarne dziury, ale i te w końcu „wyparują” (promieniowanie Hawkinga). Taki scenariusz nazywa się scenariuszem śmierci termicznej Wszechświata. Szczegółów tego procesu jednak nie znamy, gdyż na przykład nie wiemy czy nukleony (protony i neutrony) są stabilne, czy też rozpadają się z czasem życia powyżej $10^{31}$ lat, jak sugerowałyby teorie Wielkiej Unifikacji. Jeszcze większa niepewność dotycząca stabilności występuje w przypadku cząstek ciemnej materii. Niemniej jednak ostateczna śmierć termiczna Wszechświata w bardzo dalekiej przyszłości wydaje się nieunikniona.